Teoría de cuerdas, fluidos perfectos y el plasma de quarks y gluones

El descubrimiento más importante del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), Stony Brook, Nueva York, ha sido que un plasma de quarks y gluones (QGP) se comporta como un fluido perfecto. El QGP es el estado de la materia unos 20 microsegundos después de la gran explosión (Big Bang). Todavía no se tiene un buen modelo teórico que explique por qué un QGP en las colisiones de iones de oro en el RHIC se comporta como un fluido perfecto. La hipótesis oficial es que es resultado de efectos no perturbativos en la cromodinámica cuántica (QCD). Este tipo de efectos requieren nuevas herramientas matemáticas y la teoría de cuerdas se ha ofrecido en los últimos años como alternativa factible para tratar de entender el comportamiento no perturbativo de los QGP. Todavía es pronto para saber si la teoría de cuerdas lo logrará, pero los resultados de RHIC, quizás el nuevo resultado de CMS que presentamos en la entrada anterior y los resultados que ALICE (en el LHC) obtendrá a finales de este año requieren nuevas herramientas más allá del análisis perturbativo de la QCD. Nos lo ha contado Jorge Noronha (Univ. Columbia, New York) en su charla “AdS/CFT Approaches to Problems in Relativistic Heavy Ion Collisions” en el XL International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD 2010), 21-25 September 2010, Universidad de Amberes, Bélgica, resumen de su reciente artículo técnico Jorge Noronha, Miklos Gyulassy, Giorgio Torrieri, “Conformal Holography of Bulk Elliptic Flow and Heavy Quark Quenching in Relativistic Heavy Ion Collisions,” ArXiv, 13 Sep 2010.

¿Qué es un plasma de quarks y gluones? Los protones y los neutrones en el núcleo de los átomos están formados por partículas más elementales, llamadas quarks. Éstos están unidos entre sí por la fuerte interacción que es transmitida por unas partículas llamadas gluones. Los quarks no existen en la naturaleza como partículas libres siempre están “confinados” dentro de partículas como los protones, los neutrones y los mesones (llamadas hadrones, la H en el nombre LHC). Un plasma de quarks y gluones es una fase de la materia que existe a temperaturas y/o densidades muy altas que se compone, como su nombre indica, de quarks y gluones “desconfinados” (ya que cuando los quarks tienen una energía muy alta, la fuerza que los une se debilita). Por ello, en un plasma de quark-gluones (QGP, por sus siglas en inglés) los partones (nombre colectivo para los quarks y gluones) están “casi” libres. 

¿Cómo se produce un plasma de quars y gluones? Gracias a la colisión de núcleos de átomos pesados, como oro (Au) o plomo (Pb), a altas energías (iones relativistas). Estos núcleos contienen un gran número de protones y neutrones que en la colisión generan un QGP con gran número de partones. Es posible, pero no está confirmado, que en las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN también se pueda producir un “pequeño” plasma de quarks y gluones (con más de 100 partones), lo que podría explicar los resultados observados en CMS que comentamos en la entrada anterior. Aún así, casi todo lo que sabemos sobre el QGP se han descubierto en el Colisionador Relavista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE.UU.) donde colisionan iones tan pesados como el oro [algunos vídeos youtube a modo de presentación del RHIC]. En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN durante los meses de noviembre y diciembre se colisionarán iones tan pesados como el plomo. Estas colisiones serán analizadas por un experimento específico, llamado ALICE (A Large Ion Collider Experiment), y por los dos grandes del LHC, tanto ATLAS como CMS. La energía en el centro de masas en las colisiones Au+Au en el RHIC es de unos 200 GeV (0’2 TeV) y se estima que en las colisiones se alcanzan temperaturas de 4 billones de grados. En el LHC en noviembre próximo se iniciarán colisiones con iones de plomo (Pb+Pb) con una energía c.m. de 2’76 TeV (valor que corresponde a la misma configuración magnética que logra colisiones protón-protón (p+p) a 7 TeV c.m.). A partir de 2013, cuando el LHC empiece con colisiones p+p a 14 TeV, las colisiones Pb+Pb a finales de año alcanzarán 5’52 TeV c.m.

En 2005 se observó en el RHIC que el plasma de quarks y gluones producido por colisiones Au+Au se expandía de forma asimétrica (flujo anisótropo o elíptico), cuando todo el mundo esperaba que lo hiciera de forma simétrica (flujo isótropo o esférico), es decir, el QGP se comportaba como un fluido ideal (o perfecto) en lugar de como un gas ideal. La diferencia entre un gas y un líquido está en que en el primero las partículas están muy separadas entre sí  y se comportan localmente como si estuvieran libres, mientras que en el segundo las partículas están más próximas e interaccionan fuertemente entre sí. Que el QGP sea una fluido perfecto significa que tiene muy poco viscosidad (diez veces menor que la del agua). El acoplamiento fuerte entre los partones indica que hay que tener en cuenta efectos no perturbativos en QCD para entender las propiedades del QGP. Si α es la constante de acomplamiento entre gluones y quarks según la QCD (cuyo valor depende de la energía), los efectos perturbativos son los que se pueden describir como un desarrollo de potencias (o polinómico) en función de α, es decir, como A + α B + α² C + α³ D + ···, un desarrollo válido cuando α es un número pequeño (α(E) es una función decreciente de la energía E). Los efectos no perturbativos son los que no se pueden escribir como desarrollo en serie de potencias, por ejemplo, términos de la forma exp(−1/α) que pueden aparecer a energías a las que α no es un valor pequeño. Los cálculos habituales en QCD que se realizan gracias a los llamados diagramas de Feynman son siempre cálculos perturbativos y se basan en la propiedad de libertad asintótica de la QCD (a distancias pequeñas los quarks y gluones se comportan como si estuvieran libres ya que la fuerza fuerte decrece conforme la distancia se reduce). Cuando no se puede aprovechar esta propiedad, la QCD perturbativa no es aplicable y hay que utilizar teorías efectivas (teorías ad hoc para un problema concreto) o métodos numéricos (QCD en redes o lattice QCD) o nuevas técnicas matemáticas no perturbativas.

Además del flujo anisotrópico (comportamiento como fluido ideal) del QGP en el RHIC se descubrió que la pérdida de energía partónica o jet quenching era más intensa de lo esperado. Tras las colisiones de los iones a velocidades ultrarrelativistas, los productos de la colisión se emiten en forma de dos chorros de partículas (jets) debido a la extrema opacidad del QGP a alta energía. La QCD perturbativa no tiene explicación ni para el flujo anisótropo ni para la pérdida de energía partónica, por lo que se cree que son efectos no perturbativos de la QCD. En la actualidad no sabemos calcular estos efectos, pero ciertos físicos teóricos han propuesto el uso de técnicas “holográficas” de teoría de cuerdas, en concreto de la dualidad gravedad/gauge o AdS/CFT de Maldacena.

El artículo de Noronha y sus colegas afirma que las técnicas holográficas permiten explicar tanto el flujo elíptico (fluido perfecto) como el jet quenching fuerte de los chorros de quarks pesados en los fragmentos resultado de las colisiones Au+Au a 200 GeV en el RHIC. Más aún, realizan predicciones concretas que podrán ser verificadas por el experimento ALICE en el LHC a principios de noviembre (en su charla Noronha afirma cual buen optimista que podrán ser verificadas “el primer día” de colisiones de iones). En concreto, las técnicas AdS/CFT predicen ciertas correlaciones concretas en el contenido de quarks b (bottom) y c (charm) en los chorros tras el jet quenching en las colisiones. La figura de la izquierda muestra la predicción teórica. Los experimentos del RHIC (como STAR) todavía no han sido capaces de mostrar estas correlaciones tan sutiles, pero se cree que ALICE sí será capaz de lograrlo, lo que verificará o refutará esta aplicación de las teorías de cuerdas.

En la línea de los argumentos de Noronha me permito recomendaros la lectura del digest de M. Gyulassy, “Getting to the bottom of the heavy quark jet puzzle,” Physics 2: 107, December 21, 2009, del artículo técnico de Magdalena Djordjevic, “Theoretical formalism of radiative jet energy loss in a finite size dynamical QCD medium,” Phys. Rev. C 80: 064909, December 21, 2009 [ambos artículos son de acceso gratuito]. La imagen final de esta entrada está extraída del digest de Gyulassy. Para mí, el gran problema del enfoque holográfico de la teoría de cuerdas en el contexto del QGP es que la interpretación de los resultados desde el enfoque de la QCD no es trivial. Todavía no está claro cómo interpretar la QCD (4D) como una teoría de cuerdas y por ello las teorías de cuerdas son solo teorías fenomenológicas en este contexto.

En mi modesta opinión, la teoría de cuerdas, gracias a la correspondencia AdS/CFT y el principio holográfico, están protagonizando en estos momentos la tercera revolución de la teoría de cuerdas, la revolución de las aplicaciones: cálculo masivo de diagramas de Feynman en teoría cuántica de campos, cálculos en física de la materia condensada, en física del estado sólido, transiciones de fase cuánticas en líquidos de Fermi, comportamiento de un plasma de quarks y gluones, e incluso en la turbulencia de fluidos clásicos. Como ya dijimos hace unas semanas la teoría de cuerdas está evolucionando de una “teoría de todo” a una “teoría de algo.”

 

PS: Sobre la teoría de cuerdas y los resultados de CMS del LHC os recomiendo la lectura de los comentarios de la entrada de Philip Gibbs, “Quark-Gluon plasma seen in proton collisions – maybe,” viXra log, September 21, 2010.